Bioink kiválasztása a 3D bioprintinghez

Bővebben

• Mi a 3D bioprinting?
• Mi a bioinks?
• Milyen 3D bioprinting módszert érdemes használni?
• Konklúzió
• Referenciák

Mi a 3D bioprinting?

A 3D bioprinting lehetővé teszi a pontosan ellenőrzött 3D-sejtmodellek és szöveti konstrukciók, anatómiai alakú, szövetszerű komplexitású szubsztrátumok kialakításával. A szerkezet és az összetétel nagyfokú szabályozhatósága miatt a 3D bioprintelés az orvosi kutatás számos kritikus, kielégítetlen igényét képes megoldani, beleértve a kozmetikai tesztelés, a gyógyszerkutatás, a regeneratív orvoslás és a funkcionális szervpótlás területén történő alkalmazásokat.¹ A betegségek személyre szabott modelljei létrehozhatók betegből származó őssejtek, például indukált pluripotens őssejtek  (iPS-sejtek) vagy mesenchymális őssejtek felhasználásával. Az alkalmazástól függően számos anyag, módszer és sejt használható a kívánt szövetkonstrukció előállításához (1. ábra). A 3D bioprintingről, a protokollokról és a kapcsolódó termékekről szóló szakértői áttekintő cikkeket is tartalmazó részletesebb információkért kérjük, fedezze fel 3D Bioprinting Handbook című oldalunkat.

.

1. ábra. Szövetek és szervek 3D bioprintelése. A bioinkek tenyésztett sejtek és különböző biokompatibilis anyagok kombinálásával jönnek létre. A bioinkek ezután 3D bioprinteléssel funkcionális szövetszerkezetekké alakíthatók gyógyszerek szűrésére, betegségek modellezésére és in vitro transzplantációra.

Mi a bioink?

A bioinkek élő sejtek és bioanyagok amelyek utánozzák a extracelluláris mátrix környezetet, támogatva a sejtek adhézióját, proliferációját és differenciálódását a nyomtatás után. A hagyományos 3D nyomtatási anyagokkal szemben a bioinkeknek rendelkezniük kell:

• A nyomtatási hőmérséklet nem haladja meg az élettani hőmérsékletet
• Enyhe keresztkötési vagy zselésedési feltételek
• Bioaktív összetevők, amelyek nem toxikusak és a nyomtatás után a sejtek által módosíthatók

Bioinjekciós anyagok az extrudáláson alapuló nyomtatáshoz

A sejtek beágyazására szolgáló hidrogéleket a 3D bioprintingben élő szöveti struktúrák létrehozására használják, többsejtű bioprinting építőelemek kialakításával. A sejtek kapszulázása lehetővé teszi a sejtek rögzülésének, valamint a sejtek és biomolekulák térbeli eloszlásának pontos ellenőrzését az állványzaton belül, más módszerekkel és anyagokkal összehasonlítva.¹ Több sejttípus és növekedési faktor előírt mintázatban történő kombinálása lehetővé teszi rendkívül összetett szöveti szerkezetek létrehozását.³ A biokompatibilitás mellett a sejtek beágyazásához használt bioprinting anyagoknak magas víztartalommal és porozitással kell rendelkezniük, lehetővé téve a beágyazott sejtek számára a tápanyagok felvételét és a hulladékok eltávolítását.¹ A hidrogélek vízzel duzzadó, porózus hálózatokként ideális anyagok a sejtkapszulázáshoz, a szövetszerkesztéshez és a 3D bioprinting alkalmazásokhoz. A 3D-s bioprinteléshez használt hidrogéleknek hangolható szubsztrátmerevséggel is rendelkezniük kell, és lehetővé kell tenniük a hálózat nyomtatás utáni átalakítását, hogy a sejtek elterjedhessenek, vándorolhassanak, szaporodhassanak és kölcsönhatásba léphessenek.⁹ Bár a bioinkek sokféle anyagot használnak, a legnépszerűbb anyagok közé tartozik a zselatin-metakrilol (GelMA), a kollagén, a poli(etilénglikol) (PEG), a Pluronicsup>®, alginát és decellularizált extracelluláris mátrix (ECM) alapú anyagok (1. táblázat).

Jelölt bioink anyag

Gelatin metakrililGelatin metakrilil (GelMA) felhasználható térhálós hidrogélek kialakítására szövetszerkesztéshez és 3D nyomtatáshoz. A GelMA-alapú bioinkek kiváló citokompatibilitással, hangolható szubsztrátmerevséggel, jobb nyomtathatósággal és gyors térhálósodással rendelkeznek UV vagy látható fény hatására (a fotoiniciátor azonosságától függően)¹¹. A GelMA-t endotélsejtek morfogenezisében, kardiomiociták, epidermális szövetek, injektálható szövetkonstrukciók, csontdifferenciálódás és porcregeneráció során használták. A zselatin-metakriloidot mikrogömbökben és hidrogélekben is használták gyógyszeradagolási alkalmazásokban.

2. ábra. Zselatin metakrilil

Acelluláris anyagok

A bioinkek mellett az acelluláris anyagokat is használják a 3D bioprintelt struktúrákban.² Az acelluláris anyagok jellemzően szerkezeti támaszt nyújtanak a szövetszerkezetek számára, és bioinkekkel együtt használva funkcionális, bioprintelt szöveteket hozhatnak létre. Az acelluláris anyagok olyan porózus szerkezetek, amelyek a natív extracelluláris mátrix (ECM) mechanikai és biokémiai tulajdonságait egyaránt reprodukálják ⁴. A porozitás lehetővé teszi a sejtvándorlást, a szövetnövekedést, az érképződést és a sejtek életképességét ezekben a szerkezeti konstrukciókban.⁶  Emellett az acelluláris anyagoknak rendelkezniük kell a sejtek kötődéséhez, proliferációjához és differenciálódásához szükséges felületi kémiai tulajdonságokkal is.⁵ A népszerű acelluláris anyagok közé tartoznak: kollagén, fibrin, kitozán, nanocellulóz, poli(tejsav) (PLA), polikaprolakton (PCL), hidroxiapatit (HA) és β-trikalcium-foszfát (β-TCP) (1. táblázat).

Bioink anyag építőelemek

1. táblázat A 3D bioprintingben általánosan használt bioanyagok.

Bioink Material	Overview	Advantage		Hátrány
Agaróz		Tengeri moszatokból kivont poliszacharid	Nem toxikus térhálósító Nagy stabilitás	Nem lebomló; Gyenge sejtadhézió
Alginát	Természetes eredetű biopolimer barna algából		Enyhe térhálósodási feltételek (Ca2+) Gyors gélesedés Magas biokompatibilitás	Lassú lebomlási kinetika; Gyenge sejtadhézió
Chitosan	Kagylók külső vázából nyert poliszacharid (e.pl. garnélarák). A nem állati eredetű kitozán nyerhető gombás fermentációból.	Nagyfokú biokompatibilitás Antibakteriális tulajdonságok	Lassú gélképződési sebesség
Kollagén	A bőrben és más kötőszövetekben található elsődleges szerkezeti fehérje	Nagy biológiai jelentőségű	Savban oldódó
Decellularizált ECM	Egy szövetnek a benne élő natív sejtektől elkülönített extracelluláris mátrixa	Nagy biológiai relevancia Szövetspecifikus Magas sejttúlélés	Meghatározatlan és következetlen; A natív ECM szervezetének elvesztése; Alacsony stabilitás
Fibrin/Fibrinogén	A véralvadás során képződő oldhatatlan fehérje	Nagy biológiai relevancia Gyors gélesedés	Korlátozottan nyomtatható
Gelatin	Kollagén részleges hidrolíziséből származó fehérjeanyag	Nagyfokú biokompatibilitás Magas vízoldékonyság Termikusan reverzibilis zselésedés	Közepes alakhűség; Korlátozott merevség
Grafén	Szénalapú anyag, amely egy atom vastagságú grafitlapnak tekinthető	Flexibilis Elektromosan vezető /td>	alacsony biológiai relevancia
Hyaluronsav (HA)
Hyaluronsav (HA)	Nem szulfátos glikozaminoglikán, amely széles körben elterjedt a kötőszövetekben, hámszövetekben és idegszövetekben.	Gyors gélesedés Elősegíti a sejtproliferációt		Gyenge stabilitás
Hidroxiapatit	A kalciumapatit természetben előforduló ásványi formája, amely a fogakban és a csontokban található	Nagy szilárdság és merevség	Kicsi nyomtathatóság; Korlátozott szövetspecifikusság
	a href="/HU/hu/products/materials-science/biomedical-materials/polymeric-microspheres-and-nanoparticles">>PCL/PLA/PLGA	Biodegradálható, hőre lágyuló polimerek és/vagy kopolimerek	Nagy szilárdság és merevség	Alacsony sejtadhézió és sejtproliferáció
Pluronic® F127	Poli(etilén-oxid) és poli(propilén-oxid) blokk-kopolimer		Szobahőmérsékleten nyomtatható Nyíróanyag		Nem alkalmas hosszú távú sejttenyésztésre

Milyen 3D bioprinting módszert érdemes használni?

A kiválasztott tinta (biofesték vagy acelluláris anyagok) típusától és a végső szövetkonstrukció összetettségétől függően különböző 3D nyomtatási módszerek alkalmazhatók (1. ábra). A leggyakoribb módszerek előnyei és hátrányai az alábbi táblázatban találhatók (2. táblázat).

2. táblázat. A 3D bioprintelési módszerek összefoglalása.

Nyomtatási módszer	Előnyök	Hátrányok	Cellakompatibilis?
Extrusion-alapú

A tinta típusa mellett a bioprintelési módszert a nyomtatott konstrukció végső felhasználása is meghatározhatja (3. táblázat).

Szövettechnológiai alkalmazások

3. táblázat. Szövettani konstrukciók 3D bioprintelése.

Szövetmodell	Felhasznált sejtek		Használt bioprinter	Használt bioink anyag	Referencia
Porc	Mesenchymális őssejtek	HP® Deskjet 500 nyomtató	PEG-diacrilát	Inkjet-bioprintelt akrilált peptidek és PEG-hidrogél humán mesenchymális őssejtekkel elősegítik a robusztus csont- és porcképződést minimális nyomtatófej-eltömődéssel
	iPS sejtek/ kondrociták	3DDiscovery™	Alginát/ Nanocellulóz	Cartilage tissue engineering by the 3D bioprinting of iPS cells in a nanocellulose/alginate bioink
	Kondrociták	ITOP	PCL/Pluronic®	Egy 3D bioprinting rendszer emberi léptékű, strukturális integritással rendelkező szövetszerkezetek előállítására
Csont	MC3T3-E1	Házon belül	Alginát/ Polyvinil-alkohol/ Hidroxiapatit	Újszerű alginát-polyvinil-alkohol-hidroxiapatit hidrogél kifejlesztése 3D bioprinting csontszöveti mesterséges állványzathoz
	Mesenchymális őssejtek	HP® Deskjet 500 nyomtató	GelMA	A 3D tintasugaras nyomtatással kinyomtatott humán mesenchymális őssejtekből származó csont- és porcszövet javított tulajdonságai PEG-GelMA-ban történő egyidejű lerakással és fotokrosszkötéssel
Bőr	Mesenchymális őssejtek	Házon belül	Fibrin/Kollagén I	A magzatvízből származó őssejtek gyorsítják a nagy bőrseb gyógyulását
		Keratinociták/ Fibroblasztok	Házon belül	Kollagén I	Emberi bőr tervezése és előállítása háromdimenziós bioprinteléssel
Vérerek	HUVEC/HUVSMC/ Fibroblasztok	Házon belül	Agaróz	Scaffold-free vascular tissue engineering using bioprinting
Muscle	Az izomból származó őssejtek	Házon belül	Fibrin	A tintasugaras bioprintinggel létrehozott mikrokörnyezetek térben az izom- és csontszerű alpopulációk felé irányítják a felnőtt őssejteket
Agy	Neurális őssejtek	Házon belül	Poliuretán	3D bioprinting of neural stem cell-laden thermoresponsive biodegradable polyurethane hydrogel and potential in central nervous system repair
Máj	iPS-sejtek	Nanoliter adagolórendszer	Alginate-RGD	Humán pluripotens őssejtek bioprintelése és irányított differenciálódásuk hepatocita-szerű sejtekké a 3D-s minimájak előállításához
Tüdő		A549/HUVEC		BioFactory™	ECM gél	In vitro levegő-vér gát tervezése 3D bioprinteléssel
Vese	Immortalizált PTECs/Primary RPTECs	Házon belül	Gelatin/Fibrin	Bioprinting of 3D convoluted renal proximal tubules on perfusable chips
Heart	HUVEC/Neonatális kardiomiociták	NovoGen MMX	Alginát/GelMA	Bioprinting 3D microfibrous scaffolds for engineering endothelialized myocardium and heart-on-a-chip<>./a>
	Mesenchymális őssejtek/iPSC-ból származó neuronok	3D-BioPlotter®	Grafén/ PLGA	Háromdimenziós nyomtatás nagy tartalmú grafénvázakból elektronikai és orvosbiológiai alkalmazásokhoz

Következtetés

A 3D bioprinting lehetővé teszi a sejtek térben ellenőrzött elhelyezését egy meghatározott 3D mikrokörnyezetben. A bioinkek sejtek és különböző biokompatibilis anyagok kombinálásával jönnek létre, amelyeket aztán meghatározott alakban nyomtatnak ki, hogy szövetszerű, 3D-s struktúrákat hozzanak létre. Az anyagtudomány és a sejtbiológia területén szerzett szakértelmünket ötvözve számos megoldást kínálunk a 3D bioprintelési munkafolyamatok egyszerűsítésére.

Hivatkozások

1. Pan C, Bruyas A, Yang Y. 2016. Material Matters.. 11(2):49-55.

2. Sears NA, Seshadri DR, Dhavalikar PS, Cosgriff-Hernandez E. 2016. A Review of Three-Dimensional Printing in Tissue Engineering. Tissue Engineering Part B: Reviews. 22(4):298-310. https://doi.org/10.1089/ten.teb.2015.0464

3. Langer R, Vacanti J. 1993. Tissue engineering. Science. 260(5110):920-926. https://doi.org/10.1126/science.8493529

4. Bose S, Vahabzadeh S, Bandyopadhyay A. 2013. Bone tissue engineering using 3D printing. Materials Today. 16(12):496-504. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.11.017

5. Hutmacher DW. 2000. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials. 21(24):2529-2543. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(00)00121-6

6. Bose S, Roy M, Bandyopadhyay A. 2012. Recent advances in bone tissue engineering scaffolds. Trends in Biotechnology. 30(10):546-554. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2012.07.005

7. Lichte P, Pape H, Pufe T, Kobbe P, Fischer H. 2011. Scaffolds for bone healing: Concepts, materials and evidence. Injury. 42(6):569-573. https://doi.org/10.1016/j.injury.2011.03.033

8. Lu L, Zhang Q, Wootton D, Chiou R, Li D, Lu B, Lelkes P, Zhou J. 2012. Biocompatibility and biodegradation studies of PCL/?-TCP bone tissue scaffold fabricated by structural porogen method. J Mater Sci: Mater Med. 23(9):2217-2226. https://doi.org/10.1007/s10856-012-4695-2

9. Elomaa L, Kang Y, Seppälä JV, Yang Y. 2014. Biodegradable photocrosslinkable poly(depsipeptide-co-?-caprolactone) for tissue engineering: Synthesis, characterization, and In vitro evaluation. J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem.. 52(23):3307-3315. https://doi.org/10.1002/pola.27400

10. Elomaa L, Pan C, Shanjani Y, Malkovskiy A, Seppälä JV, Yang Y. Three-dimensional fabrication of cell-laden biodegradable poly(ethylene glycol-co-depsipeptide) hydrogels by visible light stereolithography. J. Mater. Chem. B. 3(42):8348-8358. https://doi.org/10.1039/c5tb01468a

11. Yue K, Trujillo-de Santiago G, Alvarez MM, Tamayol A, Annabi N, Khademhosseini A. 2015. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 73254-271. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2015.08.045